微生物燃料电池电极材料研究进展

微生物燃料电池以微生物为催化剂将化学能直接转化成电能,可用于废水处理并产生电能,是一种极具应用前景的生物电化学技术. 本文综述了近年来微生物燃料电池电极材料的制备、功能修饰及表面构建等的研究进展,着重介绍了炭基纳米材料的微结构与成分对微生物燃料电池性能的影响,并分析了微生物燃料电池电极材料现存的主要问题,以期不久的将来微生物燃料电池能付之实用.     

化学修饰炭黑在微生物燃料电池中的生物产电行为

研究发现微生物燃料电池从启动到稳定运行的过程中往往存在一种现象,就是在高电流密度下,微生物燃料电池的输出电压会出现逆转,从而限制了微生物燃料电池的规模化应用,以及它在污废水处理、脱盐等方面的功能.
　　前期研究发现,微生物燃料电池的性能逆转现象与阳极材料的电容性能有关.电极材料的电容越大,越有利于微生物燃料电池的产电性能稳定,换言之,阳极材料电容不足导致产电性能逆转.但是超级电容活性炭的制作工艺繁琐,成本高,且导电性弱,不能满足微生物燃料电池的应用需求.炭黑的导电能力强、化学稳定性高、成本低,但作为微生物燃料电池的阳极则产生产电性能逆转现象.
　　化学修饰(如酸、碱活化或者添加具有赝电容性质的金属氧化物等)可以提高材料的电容性能.低温条件(80 oC)下,对低电容材料—炭黑进行HNO3和KOH的化学活化处理,并在此基础上,进一步用5%Fe3O4修饰,采用辊压工艺,以质量分数为60%的聚四氟乙烯乳液为粘结剂,制作微生物燃料电池的阳极,与空气阴极构建单室微生物燃料电池系统.采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、比表面积测试、材料表面pH和X射线能量分析光谱(EDX)等手段表征炭黑活化前后的物理、化学性质;接触角润湿性测试表征活化前后电极表面的亲疏水性.电化学循环伏安法测试活化前后,电极的电子存储能力.
　　与蒸馏水的pH相比较,材料表面pH分析表明炭黑材料经化学活化处理后,其表面pH无明显变化; FTIR和EDX测试表明化学活化处理使得炭黑表面引入含O(N)官能团;吸附-脱附曲线分析表明化学活化后,炭黑的比表面积减小,微孔与介孔的体积比增加;接触角测试表明炭黑阳极活化处理后,电极表面亲水性增加;循环伏安测试证实,化学活化后的炭黑阳极电容得到0.1–0.8 F/cm2的增长.结合燃料电池的产电性能测试,发现只有当炭黑阳极电容不小于1.1 F/cm2时,微生物燃料电池的产电逆转现象才会消失.炭黑阳极的化学活化方法为微生物燃料电池的性能稳定提供了一种简便、低成本的方法.     

石墨烯基杂化材料在微生物燃料电池电极中的应用

微生物燃料电池（MFC）是利用生物催化剂将污水有机物中的化学能直接转化为电能的技术,因其功率密度和能量转化效率低,电极制作成本高,限制了其大规模实际应用。因此如何提高电极的催化性能并降低电极制作成本成为MFC的研究重点方向。由于石墨烯基杂化材料具有良好的导电性和催化特性,因此石墨烯基杂化材料成为在MFC电极应用中的热点之一。本文综述了近年来MFC石墨烯基杂化电极材料的最新研究进展,重点讨论了改性石墨烯电极、金属及非金属/石墨烯杂化电极、金属氧化物/石墨烯杂化电极、聚合物/石墨烯杂化电极和石墨烯凝胶电极的设计思路和制备方法及其催化性能,着重分析了石墨烯基阳极和阴极杂化材料对MFC产电性能的影响。最后对石墨烯基杂化材料在MFC应用中存在的问题及研究前景进行了总结和展望。     

电化学活性微生物在微生物燃料电池阳极中的应用

微生物燃料电池是一种利用电化学活性微生物催化降解有机物的同时产生电能的新型产能装置。阳极电化学活性微生物特征及催化活性是影响微生物燃料电池产电效率的关键因素之一。本文对应用于阳极上的电化学活性微生物的富集、来源、菌种的生理生化特征及产电能力等进行了综述。     

微生物燃料电池生物阴极

微生物燃料电池(microbial fuel cells, MFCs)利用微生物处理废水的同时产电,是一种清洁可再生能源技术。近年来新兴起的生物阴极是指阴极室中的功能微生物附着在电极表面形成生物膜,电子由电极传递给微生物并发生相应的生物电化学反应;是微生物燃料电池研究的一个重要方向。本文根据厌氧、好氧操作体系的不同将生物阴极进行分类;归纳总结了微生物组成、电极和分隔材料的研究进展,探讨了生物阴极在去除污染物和生成高附加值产品中的实际应用,并提出了其将来发展的可能方向。     

生物阴极微生物燃料电池

传统微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)主要由生物阳极与非生物阴极组成,属于半生物燃料电池,存在化学药剂再生困难、需要铂等贵金属催化及成本高等缺陷。生物阴极则利用微生物参与阴极反应克服了这些缺陷。微生物参与MFCs阴极反应,最初在海底沉积物MFCs中被发现。为了提高空气-生物阴极的产电效率,人们进行了以铁、锰等过渡金属氧化物修饰电极材料的研究。在厌/缺氧环境中,生物阴极可将硝酸盐和硫酸盐等作为最终电子受体。对生物阴极研究的深入为MFCs工业化应用开辟了道路,此外,本文在文献综述的基础上提出了铁锰联合修饰生物阴极材料的可能性。     

微生物燃料电池阴极脱氮

微生物燃料电池(MFC)阴极电子受体的多样性可实现其阴极脱氮,从而将产生的电能合理利用,因此阴极脱氮成为了MFC的一个研究方向,同时也为实际废水中氮素的去除提供了新的可能。然而在反应过程中有众多因素会导致NOx-N与其他电子受体竞争阳极电子的现象,影响阴极反硝化过程对于电子的利用率,从而造成脱氮效率低等现实问题。目前已有许多研究通过优化MFC自身结构弥补产电的缺陷,及将与其他工艺系统耦合实现同步硝化反硝化等方法,取长补短以增加脱氮效率,降低对碳源的需求,以此解决微生物燃料电池阴极脱氮出现的问题。本文从MFC不同的脱氮历程、MFC工艺条件(pH、C/N、DO)、极室分隔材料等影响MFC阴极脱氮的因素及影响其阴极反硝化微生物群落构成等方面,进行了综述并预测未来研究方向。     

微生物燃料电池

微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cells,MFCs) 是一种利用微生物作为催化剂,将燃料中的化学能直接转化为电能的装置。本文首先简要介绍了MFCs 的发展简史和基本原理,针对MFCs 产电性能低的现状,分别从产电微生物、电池结构、质子交换膜(PEM)、电极以及电解液等方面着重综述了近几年有关提高MFCs 产电性能的研究进展。最后介绍了关于MFCs 的另一些有趣的研究方向：植物MFCs,生物阴极MFCs,以及污水脱氮和有毒废水处理。     

微生物燃料电池

结合最近几年来微生物燃料电池研究进展情况,对微生物燃料电池的电子转移机理,影响电子转移的主要因素和解决方法,以及微生物燃料电池实用化过程中所面临的问题和应用前景进行了综述。     

微生物燃料电池非生物阴极催化剂的研究进展

在微生物燃料电池（MFC）中,以氧为电子受体具有很多优点,但氧阴极还原的反应动力学慢,会造成阴极电势的损失。 因此,提高阴极对氧还原的电催化活性和降低催化剂的价格是MFC非生物阴极催化剂的研究重点之一。 本文综述了近年来MFC中非生物阴极氧还原催化剂的研究进展。 重点讨论了贵金属Pt、过渡金属大环化合物以及金属氧化物催化剂对氧还原的电催化活性。 其中,非贵金属氧化物及过渡金属大环化合物催化剂具有良好的性能,而且价格低廉,有望成为MFC非生物阴极Pt基催化剂的替代催化剂。     

绿脓杆菌阳极的微生物燃料电池含溶解氧性能研究

本文研究了绿脓杆菌分泌的电子中介体绿脓菌素与电极之间的反应,并探讨了溶解氧的影响. 通过循环伏安曲线、测试电极开路电位等方法,确定绿脓菌素阳极反应是受扩散控制的可逆反应. 菌液的溶解氧浓度在一定范围内（0 ~ 1.6 mg.L^-1）对绿脓菌素和电极之间的反应影响不大. 微生物燃料电池的极化曲线表明,当溶解氧为1.6 mg.L^-1时,微生物燃料电池输出电流下降了7%,对绿脓杆菌阳极的微生物燃料电池影响不大.     

微生物阳极燃料电池极性反转现象研究

本文在构建出微生物阳极燃料电池系统的基础上,研究了微生物燃料电池极性反转现象. 实验表明,由活性污泥混合菌源接种的微生物阳极在电极表面形成电化学生物膜,但平行构建的微生物阳极燃料电池系统在内阻、输出电压和放电时长等方面存在着不同程度差异. 在串联微生物燃料电池组中,放电操作会导致性能较差的微生物单电池首先出现极性反转. 电极电势测量表明,较高的放电电流使微生物阳极电势迅速正移,导致电池系统出现极性反转. 在室温范围内,温度升高可使MFC承受较高的放电电流,不易发生极化. 燃料物质缺乏时,MFC易发生极性反转,但过高的电流仍能使燃料物质充分的MFC出现极性反转. MFC极性反转会对微生物阳极性能造成影响. 极性反转时间较短(<5 min),对微生物阳极影响不大,但延长极性反转时间,会导致微生物阳极性能下降.     

Applications of Nanomaterials in Microbial Fuel Cells: A Review

Microbial fuel cells (MFCs) are an environmentally friendly technology and a source of renewable energy. It is used to generate electrical energy from organic waste using bacteria, which is an effective technology in wastewater treatment. The anode and the cathode electrodes and proton exchange membranes (PEM) are important components affecting the performance and operation of MFC. Conventional materials used in the manufacture of electrodes and membranes are insufficient to improve the efficiency of MFC. The use of nanomaterials in the manufacture of the anode had a prominent effect in improving the performance in terms of increasing the surface area, increasing the transfer of electrons from the anode to the cathode, biocompatibility, and biofilm formation and improving the oxidation reactions of organic waste using bacteria. The use of nanomaterials in the manufacture of the cathode also showed the improvement of cathode reactions or oxygen reduction reactions (ORR). The PEM has a prominent role in separating the anode and the cathode in the MFC, transferring protons from the anode chamber to the cathode chamber while preventing the transfer of oxygen. Nanomaterials have been used in the manufacture of membrane components, which led to improving the chemical and physical properties of the membranes and increasing the transfer rates of protons, thus improving the performance and efficiency of MFC in generating electrical energy and improving wastewater treatment.     

Pr1－xSrxAlO3－δ的合成及其作为固体氧化物燃料电池阴极的性能研究

采用固相反应法合成了一系列样品Pr_1－xSr_xAlO_3－δ (x＝0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5). XRD结果表明, Sr在A位上的固溶度约为20%; 利用交流阻抗法测量了样品的电导率, 结果表明, 电导率随着Sr掺入量的增加而增大, Pr_0.8Sr_0.2AlO_3－δ的电导率最大, 在850 ℃达到0.02 S/cm; 离子迁移数的测试结果说明, Pr_1－xSr_xAlO_3－δ为离子电子混合导体; 考察了它们作为固体氧化物燃料电池(SOFCs)阴极的性能, 极化曲线和阻抗的测试结果表明, 阴极性能随着Sr掺入量的增加而提高; 阴极稳定性测试结果表明, 在测量时间范围内, 阴极过电位随时间缓慢下降.     

Mo2C/Reduced Graphene Oxide Composites with Enhanced Electrocatalytic Activity and Biocompatibility for Microbial Fuel Cells

A simple, cost-effective strategy was developed to effectively improve the electron transfer efficiency as well as the power output of microbial fuel cells (MFCs) by decorating the commercial carbon paper (CP) anode with an advanced Mo₂C/reduced graphene oxide (Mo₂C/RGO) composite. Benefiting from the synergistic effects of the superior electrocatalytic activity of Mo₂C, the high surface area, and prominent conductivity of RGO, the MFC equipped with this Mo₂C/RGO composite yielded a remarkable output power density of 1747±37.6 mW m⁻², which was considerably higher than that of CP-MFC (926.8±6.3 mW m⁻²). Importantly, the composite also facilitated the formation of 3D hybrid biofilm and could effectively improve the bacteria–electrode interaction. These features resulted in an enhanced coulombic efficiency up 13.2 %, nearly one order of magnitude higher than that of the CP (1.2 %).